Notizie PCB - Tendenze tecnologiche a semiconduttore per reti 5G Sub-6GHz

Lo scoppio della nuova polmonite coronarica ha portato sfide alla catena di fornitura globale. Ma prima di questo, le industrie dei semiconduttori RF e microonde hanno già affrontato una resistenza enorme. Il mercato delle comunicazioni cellulari, in particolare i dispositivi portatili, rappresenta oltre il 50% dei ricavi dei semiconduttori composti. Per più di dieci anni, questa applicazione è stata una forte forza trainante nel settore, ma ora alcuni follow-up sono deboli. I ricavi delle apparecchiature GaAs a radiofrequenza sono diminuiti nel 2019, principalmente a causa del calo delle spedizioni di smartphone. Tuttavia, il futuro dell'industria dei semiconduttori composti è ancora luminoso. Questa stima ottimistica deriva principalmente da reti e apparecchiature 5G. Questo nuovo standard dovrebbe diventare il motore di crescita dell'intero settore dei semiconduttori.Mercato 5G Dal 2019, gli operatori wireless stanno implementando reti e apparecchiature 5G, quindi le persone dovrebbero avere familiarità con i tre core della visione 5G. La figura 1 mostra semplicemente i suoi componenti principali e le funzioni che questi tre progetti possono realizzare. La sfida che gli operatori e i produttori di apparecchiature dovranno affrontare è raggiungere la tempestività e la portata di questi scenari.5G è in realtà un termine impreciso che è ampiamente utilizzato. Può riferirsi a due forme di indipendenza e di non indipendenza. Quest'ultimo utilizza il core LTE esistente e la rete di segnalazione. Inoltre, è anche divisa in banda di frequenza d'onda millimetrica (nota anche come "FR2" o "banda ad alta frequenza") e banda di frequenza sub-6GHz (nota anche come "FR1", costituita da "banda bassa" e "banda media"). L'organizzazione di standard del settore 3GPP sta intensificando il lavoro di standardizzazione 5G e rivedendo Rel-15; Allo stesso tempo, lo standard Rel-16/17 si concentrerà su altri aspetti del 5G e dovrebbe essere approvato entro la fine del 2022. Oltre a migliorare costantemente gli standard tecnici, tutti sono generalmente preoccupati per il modello di business 5G. In che modo gli operatori distinguono tra reti 5G e LTE? La rete 5G raggiungerà tutta o una piccola parte della visione? Banda di frequenza sub-6GHz La distribuzione di una nuova generazione di reti wireless è un progetto costoso, quindi gli operatori stanno lavorando duramente per sviluppare e monetizzare le applicazioni 5G. Sebbene tutti abbiano investito molti sforzi di ricerca e sviluppo sui tre principali scenari della visione 5G, la fase iniziale del marketing 5G si è concentrata principalmente sul miglioramento della banda larga mobile (eMBB). Gli operatori competono tra loro per quanto riguarda la copertura e la velocità della rete, il che incide anche indirettamente sull'architettura e sulla tecnologia della rete Sub-6GHz. SvantaggioSe si desidera confrontare velocità o capacità, allora la banda di frequenza della rete 5G Sub-6GHz non sarà dominante contemporaneamente. E' una conseguenza incidentale della legge di Shannon-Hartley. Questa legge descrive il valore teorico della velocità massima dei dati che può essere trasmessa in una larghezza di banda specifica del canale:C = B*log2 (1+SNR)Tra questi, C è il limite della capacità del canale (bit/s), B è la larghezza di banda del canale (Hz), e SNR è il rapporto segnale-rumore. Sebbene le nuove bande di frequenza Sub-6GHz siano assegnate ogni giorno in tutto il mondo, la larghezza di banda di queste bande di frequenza può essere misurata solo in decine o centinaia di MHz. Nella banda d'onda millimetrica, la larghezza di banda è solitamente di livello GHz. Rispetto all'onda millimetrica, questo è lo svantaggio fondamentale della rete Sub-6GHz. La figura 2 mostra come Ericsson ritiene che la rete LTE esistente debba evolvere verso il 5G con la migliore copertura, capacità e prestazioni. La rete ibrida combina gli standard e le bande di frequenza 2G/3G/4G esistenti, così come le bande d'onda 5G Sub-6GHz e millimetriche. L'intero processo di evoluzione inizia con l'aggregazione carrier (CA) in diverse bande di frequenza LTE. La rete evoluta ha una doppia connettività (DC), in cui il downlink opera sulla banda di frequenza 5G Sub-6GHz coprendo più larghezza di banda del canale, mentre il segnale uplink rimane nella rete LTE. Alla fine, la rete viene aggiornata a un modello che include più combinazioni di CA e DC sulle bande di frequenza delle onde Sub-6GHz e millimetriche.

VantaggiLa situazione ideale per gli operatori per aggiornare la propria rete LTE a una rete 5G pienamente funzionante. Questo processo di evoluzione coinvolge più bande di frequenza e standard, nonché CA e DC, con conseguente implementazione complessa e costosa. Anche se la parte Sub-6GHz della rete ha il problema di larghezza di banda del canale insufficiente e aumenta la complessità della rete ibrida, porta anche molti vantaggi alla rete 5G. Un grande vantaggio della banda a bassa frequenza sono le caratteristiche di propagazione del segnale. La perdita del percorso del segnale trasmesso aumenta con l'aumento della frequenza in una relazione multipla di 20log10(f). Nel caso della stessa distanza, la perdita di segnale di 28GHz è 32dB superiore a quella di 700MHz. In considerazione della potenza di trasmissione massima costante della stazione base, l'aumento della perdita di percorso sotto questa banda ad alta frequenza limita notevolmente la copertura delle apparecchiature a 28GHz. Inoltre, il segnale Sub-6GHz ha una minore perdita di penetrazione dell'edificio rispetto al segnale dell'onda millimetrica. Questo è essenziale per lo sviluppo delle reti 5G nelle aree metropolitane.

Le reti sub-6GHz hanno anche evidenti vantaggi nell'applicazione della tecnologia MIMO (Multi-Input Multiple-Output) e delle enormi antenne MIMO. MIMO si basa su più trasmettitori e ricevitori nelle stazioni base e terminali utente. Poiché i radiatori sono separati, il segnale trasmesso arriva al ricevitore lungo percorsi diversi. L'utilizzo della diversità spaziale e della tecnologia di multiplexing, accoppiato a flussi di dati multipli monocanale e propagazione multicanale, può migliorare la robustezza del segnale (rapporto segnale-rumore) e la velocità dei dati.

Questa architettura dell'antenna MIMO diventerà il pilastro della maggior parte delle reti 5G, perché se la capacità del canale nell'equazione 1 è approssimata di un primo ordine, l'antenna MIMO può aumentarla di n volte (n è uguale al numero di coppie di radiatori dell'antenna). Nella versione standard precedentemente rilasciata da 3GPP, la struttura dell'antenna è limitata alla configurazione 8T/8R, cioè 8 trasmettitori e 8 ricevitori. Anche il termine "massive MIMO" (mMIMO) è molto generale, ma ora significa fondamentalmente che il numero di trasmettitori supera di gran lunga 8. Nell'attuale implementazione 5G, possiamo vedere che ogni antenna della stazione base e punto di accesso mMIMO ha fino a 1024 radiatori.

L'implementazione di mMIMO su PCB a onde Sub-6GHz e millimetriche è diversa, con sottili differenze nei criteri di architettura e progettazione. I segnali sub-6GHz hanno lunghezze d'onda più lunghe dei segnali d'onda millimetrica, quindi si verificheranno più riflessi di trasmissione. Questo può creare un ambiente di propagazione multipath più ricco e dare gioco ai vantaggi di MIMO. Inoltre, costruire e mantenere un collegamento wireless ottimale richiede la comprensione delle informazioni sullo stato del canale, che includono l'elaborazione e l'aggiornamento delle informazioni sui parametri come scattering, fading, perdita del percorso e blocco. Le operazioni di cui sopra sono più ripetibili nella banda di frequenza Sub-6GHz, fornendo così un ambiente più favorevole per la propagazione del segnale.